水力発電は、風力発電の2倍以上、太陽光発電の4倍以上のエネルギーを生み出す、世界最大の再生可能エネルギー源です。そして、水を丘の上に汲み上げる「揚水式水力発電」は、世界の総エネルギー貯蔵容量の90%以上を占めています。
しかし、水力発電の影響力は非常に大きいにもかかわらず、米国ではあまり話題になりません。過去数十年間で風力発電と太陽光発電の価格は急落し、利用可能性は急上昇しましたが、国内の水力発電量は比較的安定しています。これは、米国がすでに地理的に最も理想的な場所に水力発電所を建設しているためです。
国際的には状況は異なる。中国は過去数十年にわたり、数千もの巨大な水力発電ダムを建設することで経済成長を促進してきた。アフリカ、インド、そしてアジア太平洋地域の他の国々も同様の計画を進めようとしている。
しかし、厳格な環境監視なしに拡大すれば、ダムや貯水池が河川生態系や周辺の生息地を破壊するため、問題が生じる可能性がある。近年の研究では、貯水池から排出される二酸化炭素やメタンの量が、これまで考えられていたよりも多いことが示されている。さらに、気候変動による干ばつによって水力発電は信頼性の低いエネルギー源となっており、アメリカ西部のダムは発電能力を大幅に失っている。
「通常、フーバーダムは年間約45億キロワット時のエネルギーを発電します」と、象徴的なフーバーダムの管理者であるマーク・クック氏は述べた。「しかし、現在の湖の状態では、発電量は35億キロワット時程度になるでしょう。」
しかし専門家は、水力発電は100％再生可能エネルギーの未来において大きな役割を果たすため、これらの課題を軽減する方法を学ぶことは不可欠だと述べている。
国内水力発電
2021年、水力発電は米国の大規模発電量の約6％、再生可能エネルギー発電量の32％を占めた。国内では、2019年に風力発電に追い抜かれるまで、最大の再生可能エネルギー源だった。
米国では、煩雑な許認可手続きなどが原因で、今後10年間で水力発電が大きく成長するとは予想されていない。
「認可手続きには数千万ドルもの費用と長年の労力がかかります。特に小規模な施設の中には、そうした資金や時間がないところもあります」と、全米水力発電協会の会長兼CEOであるマルコム・ウルフ氏は述べています。同氏の推計によると、1つの水力発電施設の認可または再認可には、数十もの異なる機関が関わっているとのことです。その手続きは、原子力発電所の認可よりも時間がかかると彼は言います。
米国の水力発電所の平均築年数は60年以上であるため、多くの発電所が近いうちに再認可を必要とするだろう。
「つまり、多数の発電免許返納に直面する可能性があるということだ。皮肉なことに、まさに今、我々は国内で柔軟で二酸化炭素を排出しない発電量を増やそうとしている最中なのだ」とウルフ氏は述べた。
しかし、エネルギー省は、老朽化した発電所の改修や既存のダムへの発電能力増強を通じて、国内での成長の可能性はあると述べている。
「この国には9万ものダムがあり、そのほとんどは治水、灌漑、貯水、レクリエーションのために建設されたものです。実際に発電に利用されているダムは、わずか3％に過ぎません」とウルフ氏は述べた。
この分野の成長は、揚水式水力発電の拡大にも依存している。揚水式水力発電は、再生可能エネルギーを「安定させる」方法として注目を集めており、太陽が照っていない時や風が吹いていない時に使用できるよう、余剰エネルギーを貯蔵する。
揚水発電所が発電する際は、通常の水力発電所と全く同じように動作します。水は上部の貯水池から下部の貯水池へと流れ、その過程で発電タービンを回転させます。違いは、揚水発電所は電力網からの電力を使って下部の貯水池から上部の貯水池へと水を汲み上げ、必要な時に放出できる位置エネルギーを蓄えることができる点です。
揚水発電の現在の発電容量は約22ギガワットだが、開発計画段階にあるプロジェクトは60ギガワットを超えている。これは中国に次いで世界第2位の規模だ。
近年、揚水発電システムの許可申請件数は大幅に増加しており、新たな技術が検討されている。これには、貯水池が外部の水源に接続されていない「閉鎖型」施設や、貯水池の代わりにタンクを使用する小型施設などが含まれる。どちらの方法も、周辺環境への影響は少ないと考えられる。
排出量と干ばつ
河川にダムを建設したり、新たな貯水池を造成したりすることは、魚の回遊を妨げ、周辺の生態系や生息地を破壊する可能性がある。ダムや貯水池の建設によって、歴史上、数千万もの人々が移住を余儀なくされてきた。その多くは先住民族や農村部の住民である。
これらの弊害は広く認識されている。しかし、新たな課題、すなわち貯水池からの排出物が、現在ますます注目を集めている。
「人々が気づいていないのは、これらの貯水池は実際には大量の二酸化炭素とメタンを大気中に放出しているということです。どちらも強力な温室効果ガスです」と、環境防衛基金の上級気候科学者であるイリッサ・オッコ氏は述べた。
メタンガスは、植物やその他の有機物が分解される過程で発生する。水が溜まって貯水池ができると、これらの有機物が分解されてメタンガスが放出される。「通常、メタンは二酸化炭素に変化するが、そのためには酸素が必要だ。水温が非常に高い場合、底層の酸素が枯渇してしまう」とオッコ氏は述べ、その結果、メタンガスが大気中に放出されることになる。
地球温暖化に関して言えば、メタンは放出後最初の20年間は二酸化炭素の80倍以上の温室効果を持つ。これまでの研究によると、インドやアフリカなど、より温暖な地域では汚染物質を多く排出する植物が多い傾向にある一方、オッコ氏によれば、中国や米国の貯水池は特に懸念材料ではないという。しかし、オッコ氏は排出量をより正確に測定する方法が必要だと述べている。
「そして、排出量を削減するためのあらゆる種類のインセンティブや、排出量が過剰にならないようにするための様々な当局による規制を設けることもできるでしょう」とオッコ氏は述べた。
水力発電にとってのもう一つの大きな問題は、気候変動による干ばつです。浅い貯水池は発電量が少なく、これは特にアメリカ西部で深刻な問題となっています。アメリカ西部では、過去1200年間で最も乾燥した22年間が続いています。
グレンキャニオンダムの水源であるパウエル湖や、フーバーダムの水源であるミード湖などの貯水池からの発電量が減少するにつれ、化石燃料がその不足分を補っている。ある調査によると、2001年から2015年にかけて、干ばつによる水力発電からの転換が原因で、西部11州で二酸化炭素が1億トン余分に排出された。2012年から2016年にかけてカリフォルニア州が特に厳しい状況に陥った時期には、別の調査で、水力発電の損失により州が24億5000万ドルの損失を被ったと推定されている。
史上初めて、ミード湖で水不足が宣言され、アリゾナ州、ネバダ州、メキシコで水配分の削減が引き起こされた。現在1,047フィートの水位は、さらに低下すると予想されている。これは、米国開拓局が、ミード湖の上流にあるパウエル湖の放水を前例のない措置として行い、グレンキャニオンダムの発電を継続できるようにしたためだ。ミード湖の水位が950フィートを下回ると、発電は停止する。
水力発電の未来
既存の水力発電インフラを近代化することで、効率性を向上させ、干ばつによる損失の一部を補填できるだけでなく、発電所が今後数十年にわたって稼働し続けることを保証できる。
現在から2030年までの間に、世界中で老朽化した発電所の近代化に1270億ドルが費やされる見込みだ。これは世界の水力発電投資総額のほぼ4分の1に相当し、ヨーロッパと北米への投資額のほぼ90％を占める。
フーバーダムでは、より低い標高でも効率的に稼働できるよう一部のタービンを改修したり、タービンへの水の流れを制御する水門を薄くしたり、タービンに圧縮空気を注入して効率を高めたりといった対策が取られている。
しかし、世界の他の地域では、投資の大部分は新規発電所建設に向けられている。アジアとアフリカの大規模な国営プロジェクトは、2030年までの新規水力発電容量の75％以上を占めると予想されている。しかし、こうしたプロジェクトが環境に与える影響を懸念する声もある。
「私の個人的な意見ですが、それらは過剰設計です。必要以上に巨大な容量で建設されています」と、低影響水力発電研究所のエグゼクティブディレクターであるシャノン・エイムズ氏は述べ、「流れ込み式水力発電所として建設することも可能で、設計方法を変えるだけで済むはずです」と付け加えた。
流れ込み式水力発電施設は貯水池を持たないため、環境への影響は少ないものの、発電量が季節的な流量に左右されるため、需要に応じて発電することはできません。今世紀中に総発電容量が増加すると見込まれているのは、流れ込み式水力発電が約13％、従来型の水力発電が56％、揚水式水力発電が29％です。
しかし、水力発電の成長は全体的に鈍化しており、2030年までに約23%減少すると予測されている。この傾向を逆転させるには、規制や許認可手続きの簡素化、高い持続可能性基準の設定、地域社会の受容を確保するための排出量測定プログラムの導入が不可欠となる。開発期間を短縮すれば、開発業者は電力購入契約を締結しやすくなり、収益が保証されるため投資意欲が高まるだろう。
「太陽光発電や風力発電ほど魅力的に見えない理由の一つは、これらの施設の稼働期間が異なるからです」とエイムズ氏は述べた。「例えば、風力発電所や太陽光発電所は通常20年間のプロジェクトとして捉えられますが、水力発電所は50年間認可され、稼働します。中には100年以上稼働しているものもあります。しかし、米国の資本市場は必ずしもそのような長期的な収益を高く評価するわけではありません。」
ウルフ氏によると、水力発電と揚水発電の開発に対する適切なインセンティブを見つけ、それが持続可能な方法で行われるようにすることが、世界が化石燃料から脱却する上で極めて重要になるという。
「他の技術ほど注目を集めることはありませんが、水力発電なしでは安定した電力網は構築できないということを、人々はますます認識し始めていると思います。」
投稿日時：2022年7月14日
